Riassunto:
I gruppi di ricerca dell'Università dell'Arkansas e dell'Università del Michigan hanno recentemente dimostrato una nuova tecnologia. Hanno sviluppato un dispositivo di raccolta di energia basato sul grafene che raccoglie energia dalla radiazione elettromagnetica ambientale generata dalle linee elettriche circostanti e la converte in energia elettrica per alimentare i sensori, consentendo il funzionamento indipendente senza batterie o linee di alimentazione.
I ricercatori hanno utilizzato questa tecnologia per costruire un sistema di monitoraggio della temperatura wireless che include un raccoglitore di energia in grafene, un circuito di conversione di potenza, un condensatore di accumulo di energia e un sensore di temperatura a bassissima potenza. L'intero sistema ottiene energia tramite induzione elettromagnetica e può completare il compito di rilevamento della temperatura senza fare affidamento sulle tradizionali batterie.
Il principio di funzionamento si basa sul campo magnetico variabile prodotto dalla corrente alternata. Quando una corrente elettrica passa attraverso un filo, crea un campo magnetico attorno ad esso e la corrente alternata continua a cambiare direzione e intensità, rilasciando così continuamente un campo magnetico mutevole che trasporta energia. Nella rete elettrica statunitense, questo cambiamento si verifica in genere fino a 60 volte al secondo. Il gruppo di ricerca ha sfruttato queste fonti di energia altrimenti trascurate per fornire energia continua a dispositivi indipendenti.
Per catturare l'energia del campo magnetico, i ricercatori hanno utilizzato il grafene per creare induttori e hanno aggiunto un nucleo in acciaio per migliorare le capacità di raccolta del campo magnetico. Quando un dispositivo è posizionato vicino a una linea elettrica, il campo magnetico variabile attorno al filo passa attraverso l'induttore e induce una debole tensione CA su di esso. Questo processo è lo stesso principio dell'induzione elettromagnetica utilizzato dai trasformatori e generatori tradizionali.
Tuttavia, i segnali elettrici inizialmente generati non possono alimentare direttamente i dispositivi elettronici. Da un lato si tratta di corrente alternata, mentre il sensore richiede corrente continua; d'altro canto, il suo livello di tensione è lungi dall'essere sufficiente. A tal fine, il gruppo di ricerca ha progettato un circuito di conversione di potenza basato su un duplicatore di tensione Cockcroft-Walton per rettificare la corrente alternata in corrente continua e aumentare gradualmente la tensione fino a un livello utilizzabile dal sensore.
A differenza delle soluzioni tradizionali, questo sistema non utilizza batterie ricaricabili, ma sfrutta tre condensatori per immagazzinare l'energia elettrica raccolta. Il condensatore accumula gradualmente carica e i ricercatori affermano che l’energy Harvester ripristina l’energia più velocemente di quanto il sensore di temperatura la consuma, consentendo al sistema di mantenere il funzionamento a lungo termine.
Anche dopo l'aumento della tensione e l'accumulo di energia, la quantità di potenza ottenuta in questo modo è ancora molto piccola. Per adattarsi a questa limitazione, il team di ricerca ha appositamente progettato un sensore di temperatura a bassissimo consumo il cui consumo energetico è solo a livello di nanowatt, ovvero un miliardesimo di watt. Secondo i rapporti, il dispositivo consuma circa 30 milioni di volte meno energia di una cuffia AirPods.
I ricercatori hanno affermato che, sebbene l'induttore di grafene non raccolga energia rapidamente, è comunque sufficiente per ricostituire continuamente l'energia immagazzinata nel condensatore. Finché c’è una fonte sufficiente di energia elettromagnetica nelle vicinanze, il sistema può teoricamente funzionare indefinitamente. Allo stesso tempo, il condensatore può anche immagazzinare l'elettricità in eccesso, in modo che anche se l'energia circostante viene temporaneamente interrotta, il dispositivo può continuare a funzionare. Secondo le stime del team, la carica immagazzinata può mantenere il sensore in funzione per almeno 24 ore e in alcuni casi si prevede che duri anche circa una settimana.
Il professor Paul Sibado, responsabile della ricerca, ha sottolineato che, sebbene la velocità con cui l'induttore ripristina la carica al condensatore sia lenta, è comunque superiore alla velocità con cui il sensore consuma energia. Pertanto, anche dopo un'interruzione di corrente, il sistema può continuare a funzionare per un periodo di tempo più lungo sfruttando l'energia immagazzinata nel condensatore.
Il gruppo di ricerca ritiene che questa tecnologia sia adatta per le reti di monitoraggio della temperatura in grandi impianti industriali. Spesso è necessario installare migliaia di sensori nelle fabbriche, nei sistemi di condutture e in varie apparecchiature meccaniche. Le soluzioni tradizionali richiedono cablaggi di alimentazione complessi o richiedono frequenti sostituzioni della batteria. Con l'adozione di nuove tecnologie, si prevede che un gran numero di sensori funzionerà a lungo senza cavi o necessità di manutenzione della batteria.
Tuttavia, i ricercatori hanno anche evidenziato i limiti della tecnologia. Innanzitutto, il dispositivo deve essere posizionato vicino a un campo magnetico variabile sufficientemente forte da non poter generare elettricità dal nulla in nessun ambiente. In secondo luogo, gli esperimenti attuali non hanno dimostrato che il sistema possa avviarsi da solo in uno stato di energia completamente zero. Durante il processo di test, il condensatore deve essere precaricato e il processore deve essere programmato in anticipo. Inoltre, la potenza in uscita del sistema è estremamente bassa e attualmente può pilotare solo sensori a bassissimo consumo appositamente progettati, che non sono sufficienti per alimentare i normali dispositivi elettronici come gli smartphone.
Tuttavia, il team ritiene che questo risultato fornisca una direzione importante per lo sviluppo di sensori autoalimentati in futuro. Oltre al monitoraggio della temperatura, tecnologie simili potranno essere utilizzate anche in molti campi come il monitoraggio dei prodotti, il monitoraggio dell’ambiente atmosferico, la gestione della flotta logistica, il monitoraggio del suolo, i dispositivi sanitari indossabili e il monitoraggio medico in futuro.
Allo stesso tempo, i ricercatori stanno anche esplorando l'uso dell'energia acustica, dell'energia non lineare, dell'energia solare, dell'energia termica, dell'energia cinetica e di altre fonti di radiazioni ambientali per generare elettricità, sperando di sviluppare infine un sistema di sensori autonomo in grado di ottenere contemporaneamente energia da più fonti di energia ambientale per ottenere un funzionamento veramente a lungo termine e senza manutenzione.
Risultati di ricerca rilevanti sono stati pubblicati sul Journal of Vacuum Science and Technology.
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